基于C-RAN的5G关键技术研究

发布时间：2020-05-30 21:11

【摘要】：为了应对5G不断增长的数据业务需求,降低运营成本,云无线接入网络(Cloud Radio Access Network,C-RAN)作为一种可能的5G系统架构受到了广大研究者的关注。C-RAN将实现计算处理功能的基带处理单元(Baseband Unit,BBU)集中在一起构成BBU池,通过光纤连接分布式的拉远射频单元(Remote Radio Head,RRH)来搭建无线通信网络。C-RAN系统能够利用云计算技术降低系统的整体消耗、提高资源利用率并提升网络部署的灵活性。但同时,如何合理地对系统性能进行评估,并对系统的资源进行合理的调度和分配也成为了影响C-RAN技术发展的瓶颈。为了解决以上问题,本论文对C-RAN系统中的性能评估和资源分配问题进行了研究。首先,对构成C-RAN系统架构的关键技术软件定义无线电(Software Defined Radio,SDR)技术进行了详细的研究,搭建了相应的实验平台进行相关性能测试,为后续的研究提供了实验基础和支撑;其次,根据实验平台的相关系统结构,构建了基于SDR技术的C-RAN系统模型,并对该系统下的BBU负载均衡问题进行了研究;最后,通过结合网络切片技术,扩展了之前的C-RAN系统模型,针对该系统下的多业务并存场景进行了无线资源调度问题的研究。论文的主要工作和创新点如下:1、SDR测试平台调研与搭建SDR技术是构建C-RAN中的BBU池并进行负载均衡的关键技术,该技术的发展程度对于C-RAN的实际部署具有重要的影响。在第二章中,通过对目前SDR技术的发展现状进行调研,选取了OpenAirInterface(OAI)平台进行了实验环境的搭建,并对其相关模块的具体结构、运行机制进行了研究和评估。之后对跨层优化技术进行了实现,在该平台下对实际的视频流传输进行了优化。最后通过具体的实验数据展示了OAI平台的系统性能和跨层优化的实际效果,结果表明,OAI平台由于可以实现完整协议栈的实时处理功能,其系统参数可用于构建基于SDR的C-RAN系统模型。跨层优化技术在SDR技术支持下具有良好的实现效果,通过合理调度无线资源去优化系统服务质量是一个可行的方案。2、C-RAN系统中BBU负载均衡问题研究C-RAN系统的主要技术优势就是将资源消耗最多的运算处理模块集中在BBU池中进行调度,所以BBU池中资源的利用率对于系统整体性能的优劣起着决定性的作用,如何更合理地设计BBU池中的资源分配方案就成为了提高C-RAN系统性能的关键。本论文第三章在第二章的实验基础上,构建了基于SDR的C-RAN系统模型,并对该系统下SDR、虚拟机(Virtual Machine,VM)热迁移、数据传输机制进行了详细研究,对无线资源浪费、计算资源浪费、迁移资源损耗进行了研究和计算,通过将三者进行加权构建了综合评估函数。在第四章中,基于第三章提出的综合评估函数,提出了一种可以动态调整BBU负载的优化方案。最后,通过仿真分析分别对第三章提出的评估方案和第四章的优化算法进行了验证。仿真结果表明,本论文提出的综合评估方案可以有效对C-RAN的系统综合性能进行评估,而所提出的BBU资源调度优化算法则可以有效地平衡BBU池中的负载,以较低的切换损耗将整个系统维持在稳定的优化状态中。3、网络切片系统中切片调度问题研究基于第二章的跨层优化实例,结合网络切片技术,在第五章中构建了切片调度系统模型,该系统下,高可靠低延迟通信(ultra Reliable Low Latency Communication,uRLLC)、增强型移动宽带(enhanced Mobile Broadband,eMBB)和海量机器类通信(massive Machine Type Communication,mMTC)业务共享无线传输资源。然后对其中的数据包传输机制进行了研究,同时提出了综合性的服务质量(Quality of Service,QoS)评估方案。并利用强化学习相关算法调整了系统切片的的调度方式,对三种业务的QoS进行了优化。最后,仿真结果表明,强化学习优化算法能够在无线资源有限的情况下,尽可能地满足不同业务的QoS需求。
【图文】：

结构图,网络演进,基站,无线接入网络

图１－１邋Ｃ－ＲＡＮ结构图逡逑接入网络（Ｃ－ＲＡＮ）是由传统的分布式基站网络演进而来网络中，基带处理单元和无线射频单元集成在一起，，构成基站各自服务自己所覆盖的小区，资源独立。在４Ｇ的架通过Ｘ２接口ｔ３］进行交互和合作，但是各自的处理资源仍国移动的统计结果［２］，目前的ＲＡＮ架构消耗了大量的电力站的电力消耗。运营商为了增加无线网络的覆盖，给用户接的手段就是增加基站的部署数量和密度，而基站数量的资源包括电力资源的消耗。另外，传统ＲＡＮ架构对于多是另外一项关键缺陷。实际部署的基站往往都服从各厂商商通常需要从厂商购置一整套的通信设备进行基站的部署２逡逑

文章结构,技术,平台,实验环境

图１－２文章结构图逡逑第二章对Ｃ－ＲＡＮ网络中应用的ＳＤＲ技术进行了调研，分析了邋ＳＤＲ技术的逡逑研究现状，选取了相对完善的ＯＡＩ开源平台进行了邋ＳＤＲ实验环境的搭建。详细逡逑介绍了邋ＯＡＩ平台的组织结构和相关功能特性，同时通过对该平台的相关模块进逡逑行优化调整，实现了邋２０ＭＨｚ带宽ＴＤＤ邋ＬＴＥ测试平台的搭建。在该实验环境下，逡逑使用商用手机进行了接入测试和相关数据服务测试，同时搭建了对视频流的跨层逡逑优化实例。之后，通过对视频播放效果进行分析证实了跨层优化的可行性，并对逡逑ＯＡＩ平台的各模块耗时规律进行了测试和分析。最后，基于该章节的研究成果，逡逑提出了基于ＳＤＲ技术的Ｃ－ＲＡＮ架构下的关键研究点，为后续章节提供了实验逡逑基础。逡逑第三章研宄了基于ＳＤＲ的Ｃ－ＲＡＮ网络ＢＢＵ池中资源管理的相关机制和系逡逑统性能。首先分析了邋ＳＤＲ系统中的数据包传输机制以及以虚拟机迁移为技术实逡逑现手段的ＢＢＵ－ＲＲＨ切换机制，同时介绍了基本的ＢＢＵ－ＲＲＨ切换方案。接着通逡逑过对Ｃ－ＲＡＮ数据传输模型进行分析，引入了无线资源浪费、计算资源浪费和迁逡逑移资源损耗的概念，并通过功耗模型的构建，完善了整个系统性能评体系。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

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